本發(fā)明是關(guān)于一種具有復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的fet式氣體傳感器及其制備方法，屬于微電子學(xué)范疇的氣體傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在氣體傳感器的研究和應(yīng)用中主要的有三個基本參數(shù)：靈敏度(sensitivity)、選擇性(selectivity)和穩(wěn)定性(stability)，通常人們習(xí)慣稱為“3s”技術(shù)，其中靈敏度是最重要的參數(shù)之一，高的靈敏度是器件的可靠性、抗干擾能力等性能的保障，因此，提高場效應(yīng)晶體管(fet)式氣體傳感器靈敏度在實際應(yīng)用中至關(guān)重要。

近年來，fet式氣體傳感器由于具有電阻式氣體傳感器所不具備的一些優(yōu)勢，作為另一種半導(dǎo)體氣敏裝置而得以迅速發(fā)展。fet的特點在于除了可用源漏極區(qū)域調(diào)控電流之外，還可以由獨立的第三端柵電極控制，在柵電極偏壓的作用下，敏感半導(dǎo)體材料體內(nèi)的載流子都被吸引到半導(dǎo)體與絕緣層之間的界面，形成僅有幾個原子或分子層厚度的導(dǎo)電溝道，半導(dǎo)體中的載流子主要通過此導(dǎo)電溝道來實現(xiàn)源漏極區(qū)域間的遷移，因而與導(dǎo)電溝道相臨的表面相對于半導(dǎo)體的其他表面對et式氣體傳感器性能有更大的影響，因此，fet式氣體傳感器在各種氣體探測中廣受關(guān)注。傳統(tǒng)的固態(tài)絕緣層fet式氣體傳感器在不同氣體的暴露中，主要引起閾值電壓的偏移，研究發(fā)現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)下，閾值電壓附近可以得到最大的靈敏度。2004年，研究人員設(shè)計出新型fet式氣體傳感器，將空氣、氮氣等氣體作為有機單晶fet的絕緣層，結(jié)果顯示該新型fet式氣體傳感器顯示出良好的fet性能。2013年，湯慶鑫課題組構(gòu)筑了氣體絕緣層型的cupc納米帶fet式氣體傳感器并用于檢測so2氣體，該fet式氣體傳感器與傳統(tǒng)的固態(tài)絕緣層的fet式氣體傳感器相比，被測氣體可以直接與導(dǎo)電溝道相互作用從而大大提高器件的靈敏度等性能，實驗結(jié)果也顯示該fet式氣體傳感器在被測氣體中暴露時，閾值電壓幾乎不變而遷移率大大提高，引起靈敏度的提升。

雖然以上兩種不同的fet式氣體傳感器氣敏機理不同，但是均能夠提高fet式氣體傳感器的靈敏度。然而到目前為止，還沒有研究報道將兩種fet式氣體傳感器結(jié)合進而能夠提高靈敏度的fet式氣體傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高靈敏度的具有復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的fet式氣體傳感器及其制備方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種具有復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的fet式氣體傳感器，其特征在于，該fet式氣體傳感器包括柵電極、第一支撐層、第二支撐層、源極區(qū)域、漏極區(qū)域和微納單晶半導(dǎo)體，其中，所述第一支撐層的寬度大于所述源極區(qū)域的寬度；所述柵電極頂部兩側(cè)分別固定設(shè)置所述第一支撐層和第二支撐層，所述第一支撐層頂部粘貼固定所述源極區(qū)域，所述第一支撐層與所述源極區(qū)域內(nèi)端部不平齊，且所述第一支撐層內(nèi)部長于所述源極區(qū)域的部分為固態(tài)絕緣層，所述源極區(qū)域底部內(nèi)側(cè)開設(shè)有第一凹槽；所述第二支撐層頂部粘貼固定所述漏極區(qū)域，所述第二支撐層與所述漏極區(qū)域內(nèi)端部平齊，所述漏極區(qū)域底部內(nèi)側(cè)開設(shè)有第二凹槽；所述微納單晶半導(dǎo)體固定設(shè)置在所述第一支撐層和第二支撐層頂部，且所述微納單晶半導(dǎo)體的兩端分別插設(shè)在所述第一凹槽和第二凹槽內(nèi)，所述柵電極頂部、所述第一支撐層與第二支撐層之間的間隙以及所述微納單晶半導(dǎo)體底部形成的空腔構(gòu)成空氣間隙絕緣層。

一種具有復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的fet式氣體傳感器，其特征在于，該fet式氣體傳感器包括柵電極、第一支撐層、第二支撐層、源極區(qū)域、漏極區(qū)域和微納單晶半導(dǎo)體，其中，所述第一支撐層的寬度大于所述源極區(qū)域的寬度，所述第二支撐層的寬度大于所述漏極區(qū)域的寬度；所述柵電極頂部兩側(cè)分別固定設(shè)置所述第一支撐層和第二支撐層，所述第一支撐層頂部粘貼固定所述源極區(qū)域，所述第一支撐層與所述源極區(qū)域內(nèi)端部不平齊，且所述第一支撐層內(nèi)部長于所述源極區(qū)域的部分為固態(tài)絕緣層，所述源極區(qū)域底部內(nèi)側(cè)開設(shè)有第一凹槽；所述第二支撐層頂部粘貼固定所述漏極區(qū)域，所述第二支撐層與所述漏極區(qū)域內(nèi)端部不平齊，且所述第二支撐層內(nèi)部長于所述漏極區(qū)域的部分為固態(tài)絕緣層，所述漏極區(qū)域底部內(nèi)側(cè)開設(shè)有第三凹槽；所述微納單晶半導(dǎo)體固定設(shè)置在所述第一支撐層和第二支撐層頂部，且所述微納單晶半導(dǎo)體的兩端分別插設(shè)在所述第一凹槽和第三凹槽內(nèi)，所述柵電極頂部、所述第一支撐層與第二支撐層之間的間隙以及所述微納單晶半導(dǎo)體底部形成的空腔構(gòu)成空氣間隙絕緣層。

優(yōu)選地，所述柵電極采用導(dǎo)電襯底或頂部設(shè)置有導(dǎo)電材料的絕緣襯底。

優(yōu)選地，所述微納單晶半導(dǎo)體采用微納單晶單根或微納單晶多根材料，且所述微納單晶半導(dǎo)體的直徑為40～2000nm，所述微納單晶半導(dǎo)體的長度大于50um。

優(yōu)選地，所述第一支撐層和第二支撐層均采用聚甲基丙烯酸甲酯或氧化硅材料。

一種具有復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的fet式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

1)將柵電極進行清洗，并將有機絕緣材料溶解到溶劑中配置成支撐層溶液，且溶劑要求不能侵蝕柵電極；

2)將支撐層溶液滴加到柵電極頂部，通過旋涂機進行旋涂，并將旋涂后的柵電極放置在熱板上進行烘干得到支撐層；

3)通過電子束曝光或光刻工藝將支撐層中部開設(shè)出導(dǎo)電溝道形成第一支撐層和第二支撐層；

4)采用機械探針移動工藝將微納單晶半導(dǎo)體固定設(shè)置在導(dǎo)電溝道頂部的第一支撐層和第二支撐層內(nèi)側(cè)；

5)采用金片貼膜電極工藝制備源極區(qū)域和漏極區(qū)域，并將源極區(qū)域和漏極區(qū)域分別固定在第一支撐層和第二支撐層頂部。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明通過第一支撐層和第二支撐層、柵電極和微納單晶半導(dǎo)體構(gòu)成具有固體絕緣層和空氣間隙絕緣層的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，通過兩種絕緣層能夠進一步提高fet式氣體傳感器的靈敏度。2、本發(fā)明由于微納單晶半導(dǎo)體的直徑為40～2000nm，長度大于50um，因此導(dǎo)電溝道的長度能夠制備的很長，進而能夠提高本發(fā)明fet式氣體傳感器的氣敏特性。3、相對于以往的fet式氣體傳感器，本發(fā)明的fet式氣體傳感器不再需要將第一支撐層和第二支撐層的外端部邊緣與源極區(qū)域和漏極區(qū)域的外端部邊緣保持嚴格齊整，減小了空氣間隙絕緣層的器件構(gòu)筑難度，可以廣泛應(yīng)用于氣體傳感器領(lǐng)域中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進行詳細的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”等僅僅是用于描述的目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明提供的具有復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的fet式氣體傳感器，包括柵電極1、第一支撐層2、第二支撐層3、源極區(qū)域4、漏極區(qū)域5和微納單晶半導(dǎo)體6，其中，第一支撐層2的寬度大于源極區(qū)域4的寬度。

柵電極1頂部兩側(cè)分別固定設(shè)置第一支撐層2和第二支撐層3，第一支撐層2頂部粘貼固定源極區(qū)域4，第一支撐層2與源極區(qū)域4內(nèi)端部不平齊，且第一支撐層2內(nèi)部長于源極區(qū)域4的部分為固態(tài)絕緣層7，源極區(qū)域4底部內(nèi)側(cè)開設(shè)有第一凹槽。第二支撐層3頂部粘貼固定漏極區(qū)域5，第二支撐層3與漏極區(qū)域5內(nèi)端部平齊，漏極區(qū)域5底部內(nèi)側(cè)開設(shè)有第二凹槽。微納單晶半導(dǎo)體6固定設(shè)置在第一支撐層2和第二支撐層3頂部，且微納單晶半導(dǎo)體6的兩端分別插設(shè)在第一凹槽和第二凹槽內(nèi)，柵電極1頂部、第一支撐層2與第二支撐層3之間的間隙以及微納單晶半導(dǎo)體6底部形成的空腔構(gòu)成空氣間隙絕緣層8。

實施例2：

如圖2所示，本實施例與實施例1的結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是本實施例的第二支撐層3的寬度大于漏極區(qū)域5的寬度，第二支撐層3與漏極區(qū)域5內(nèi)端部不平齊，第一支撐層2內(nèi)部長于源極區(qū)域4的部分和第二支撐層3內(nèi)部長于漏極區(qū)域5的部分均為固態(tài)絕緣層7，柵電極1頂部、第一支撐層2與第二支撐層3之間的間隙以及微納單晶半導(dǎo)體6底部形成的空腔構(gòu)成空氣間隙絕緣層8。

上述各實施例中，柵電極1可以采用導(dǎo)電襯底或頂部設(shè)置有導(dǎo)電材料的絕緣襯底。

上述各實施例中，微納單晶半導(dǎo)體6可以采用微納單晶單根或微納單晶多根材料，且微納單晶半導(dǎo)體6的直徑為40～2000nm，微納單晶半導(dǎo)體6的長度大于50um。

上述各實施例中，第一支撐層2和第二支撐層3均可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或氧化硅(sio2)材料。

下面通過具體實施例詳細說明本發(fā)明具有復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的fet式氣體傳感器的制備方法：

1)將柵電極1進行清洗，并將有機絕緣材料，即：聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基硅氧烷(pdms)或其他型號的如az系列等光刻膠，溶解到溶劑(丙酮、茴香醚、四氫呋喃或二甲基甲酰胺等)中配置成支撐層溶液，且溶劑要求不能侵蝕柵電極1。

2)將配置好的支撐層溶液滴加到柵電極1頂部，通過旋涂機進行旋涂，并將旋涂后的柵電極1放置在熱板上進行烘干得到支撐層，其中，旋涂機的旋轉(zhuǎn)速度、旋涂時間、旋涂次數(shù)以及熱板的烘烤溫度和烘烤時間可以根據(jù)實際需要進行設(shè)定。

3)烘干后支撐層的厚度可以為100～500nm，通過電子束曝光或光刻工藝將支撐層中部開設(shè)出寬度為5～10um的導(dǎo)電溝道形成第一支撐層2和第二支撐層3。

4)選擇直徑為40～2000nm的微納單晶半導(dǎo)體6，采用機械探針移動工藝將微納單晶半導(dǎo)體6固定設(shè)置在導(dǎo)電溝道頂部的第一支撐層2和第二支撐層3內(nèi)側(cè)，其中，微納單晶半導(dǎo)體6的直徑就是導(dǎo)電溝道的長度。

5)采用金片貼膜電極工藝制備源極區(qū)域4和漏極區(qū)域5，并將源極區(qū)域4和漏極區(qū)域5分別粘貼固定在第一支撐層2和第二支撐層3頂部構(gòu)成本發(fā)明的fet式氣體傳感器，通過制備不同寬度和位置的導(dǎo)電溝道進而得到實施例1或?qū)嵤├?兩種不同的fet式氣體傳感器。

下面通過具體實施例詳細本發(fā)明具有復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的fet式氣體傳感器的使用方法：

1)將本發(fā)明的fet式氣體傳感器制備完成后連接到氣敏測試腔體內(nèi)。

2)通過空氣間隙絕緣層8，氣體分子可以直接吸附到第一支撐層2和第二支撐層3之間的導(dǎo)電溝道上，氣體分子在導(dǎo)電溝道的吸附導(dǎo)致微納單晶半導(dǎo)體6的導(dǎo)電率發(fā)生顯著的變化，這主要是因為氣體吸附影響氣敏材料的淺缺陷密度。

3)氣體分子還可以吸附到固態(tài)絕緣層7上，氣體分子在固態(tài)絕緣層7的吸附同樣能夠?qū)е挛⒓{單晶半導(dǎo)體6的導(dǎo)電率發(fā)生顯著的變化，這主要是因為氣體分子的吸附影響氣敏材料的深缺陷密度進而引起閾值電壓的漂移。

4)通過上述兩種導(dǎo)電率的顯著變化使本發(fā)明的fet式氣體傳感器顯示出相對于普通絕緣層氣體傳感器更高的靈敏度。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。